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Power-Management-IC

Micro-PMIC organisiert Leistungsverbrauch in Wearables

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Andere Funktionsblöcke erfordern eine 3-V-Versorgung. Dazu gehören das Display und die Sensoren wie der Herzfrequenz-Monitor (im Bild 1 durch das Biosensor-Modul des AS7000 von ams dargestellt). Darüber hinaus erfordert ein bürstenloser Gleichstrom-Motor (BLDC), welcher haptische Rückmeldung liefert, eine eigene getrennte Versorgung mit Leistungspulsen.

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Das konventionelle Konzept zum Gestalten dieses Leistungssystems erfordert den Einsatz von mehreren separaten Leistungsbausteinen: ein eigenständiges Akkuladesystem, ein Abwärtswandler für die 1,8-V-Versorgung, ein haptischer Rückmeldungstreiber oder LDO für den BLDC-Motor und ein LDO für das Display und ggf. für Sensoren, die mit einer 3-V-Versorgung arbeiten.

Dieses Konzept verhindert die Miniaturisierung und erfordert viel Platinenfläche innerhalb des Gesamtsystems. Hinzu kommen Probleme bei der Platinenstruktur, etwa Störstrahlung, Bestückungskosten sowie die veringerte Zuverlässigkeit des Gesamtsystems durch das Verwenden vieler Komponenten.

Im Gegensatz dazu ist ein Micro-PMIC leichter in die Konstruktion zu integrieren und bietet eine einfachere Platinenstruktur. Wie dies erfolgen kann, verdeutlicht der Baustein AS3701, ein von ams entwickleter Micro-PMIC für Wearables.

Dieses Bauteil ist für den in Bild 1 gezeigten Systemtyp optimiert. Die gewonnene Platzersparnis ist beträchtlich: Der AS3701 wird in einem 4 mm2 kleinen CSP-Gehäuse mit einem Raster von nur 0,4 mm geliefert. In diesem Gehäuse sind eine voll ausgestattete Akku-Ladeeinheit mit internem Versorgungspfad, mehrere Spannungsversorgungsblöcke, Schutzstrukturen, Start-Sequenz-Programmierung und eine I²C-Schnittstelle zum Prozessor enthalten.

Die erforderliche PCB-Fläche des AS3701 ist platzoptimiert; Bild 2 zeigt die Platinenstruktur für das Wearable aus Bild 1. Drei innenliegende Anschlüsse des AS3701 wurden bewusst entfernt, um Durchkontaktierungen zu vereinfachen.

Wie gut kann ein solcher Micro-PMIC mit minumalisierter PCB-Fläche den komplexen Energiebedarf einer Smart-Watch decken? Im Fall des AS3701A umfassen die mehrfachen Spannungsversorgungsblöcke zwei 200-mA-LDOs, einen 500-mA-Gleichspannungs-Abwärtswandler sowie zwei 40-mA-programmierbare Stromsenken/GPIOs (Bild 3). Wie aus Bild 1 ersichtlich, wird die 5-V-Versorgung zu den LEDs des AS7000 nicht durch den AS3701A bereitstellt; diese erfolgt durch einen separaten Spannungswandler (diskreter Aufwärtswandler).

Der synchrone Abwärtswandler integriert Energiesparfunktionen: Dynamische Spannungsskalierung und wählbare Frequenzen in einem Bereich von 1 bis 4 MHz ermöglichen bestmögliche Effizienz für verschiedene Lastfälle. Bild 4 zeigt die hohe Effizienz für Lasten zwischen 1 und 300 mA.

Rauschen und Entwärmung als weitere Anforderungen

Während Leistungsdichte und lange Akkulaufzeit zu den wichtigsten Anforderungen für das Leistungssystem von Wearables gehören, sind u.a. auch Mindestleistungsanforderungen hinsichtlich Rauschen und Entwärmung zu erfüllen. GPS-Module reagieren bei Spitzenspannung besonders empfindlich auf Netzversorgungsrauschen. 50 mV ist in der Regel der zulässige Höchstwert; der Gleichstromwandler von AS3701A bietet dazu eine große Sicherheitsmarge (Bild 5).

Die meisten Lastanforderungen, die der Micro-PMIC einer Smart-Watch genügen muss, liegen deutlich unter 50 mA. Die Sensoren nehmen tendenziell mehrere 10 µA Strom auf. Dies bedeutet, dass die thermische Belastung so gering ist, dass sie das Micro-PMIC-Gehäuse problemlos bewältigen kann.

Die höchste Spitzenspannung erfordert der BLDC-Motor bei einem Einschaltstrom bis zu 100 mA, der nach dem Start schnell wieder abfällt.

Die anfängliche Einschaltspannung muss zudem hoch genug sein, um den Datenblattanforderungen zu entsprechen. Dafür sorgt der im AS3701 integrierte programmierbare LDO-Regler, der eine breiten Palette an Spannungseinstellungen anbietet. Die entsprechende Programmierung erfolgt via I2C-Schnittstelle, um den Puls-Betrieb des Motors zu realisieren. Dazu wird die Ausgangsspannung dynamisch geändert, sodass Rampen-Effekte und feine Vibrationsprofile möglich sind.

Weitere Vorteile des Micro-PMIC-Konzepts

Die Verwendung eines Micro-PMIC hat zusätzliche Vorteile zu den gezeigten. Dazu gehört die einfache Montage nur eines einzelnen Bauteils. Aber ein Micro-PMIC bietet auch Vorteile in der Bedienung. Bild 6 zeigt einen Screenshot der grafischen Bedienoberfläche, die zusammen mit dem Evaluation-Board des AS3701 geliefert wird. Die GUI ermöglicht Einschalt-Sequenzierung und Konfiguration des Ladevorgangs für eine Vielzahl von Akkutypen. Über die I2C-Schnittstelle können zu jeder Zeit all diese Register vom Prozessor aus überschrieben werden.

* Mark Shepherd ist Field Application Engineer bei ams USA. Thomas Kail ist Produktmanager für Power-Management-Produkte bei ams in Premstätten, Österreich. Stephan Kreszl ist Hardware Application Engineer bei ams, Premstätten.

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